側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在榮成海流能電站示范工程中的應用

常增亮，高興國

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

榮成海流能電站示范工程是國家新能源項目，裝機容量為4×300kW，設備以2葉片軸流式、不帶導流罩的結(jié)構(gòu)形式坐落于海底。海底構(gòu)筑物和電纜安裝施工需要對海底的地形地貌進行準確的了解，目前探測海底地形和地貌最有效、最準確的手段就是使用側(cè)掃聲吶掃測海底地形地貌。側(cè)掃聲納有三個突出的特點：①分辨率高，可以顯示海底微地貌形態(tài)和分布；②獲取的海底聲學圖譜影像是連續(xù)的且全覆蓋不漏測；③可以分析地貌、海底構(gòu)造、底質(zhì)、海床遷移和穩(wěn)定性等，廣泛應用于海洋工程勘探，如海底電纜、海底輸油管線的路由器調(diào)查等。

本文基于Benthos SIS-1624側(cè)掃聲吶系統(tǒng)獲取榮成海流能電站的海底聲學影像，經(jīng)過Otsu二值化處理后對海底地形地貌特征進行了提取和分析，并將獲取的分類結(jié)果運用到實際工程設計施工中，取得了較好的效果。

1 側(cè)掃聲吶工作原理及影響因素

側(cè)掃聲吶是一種半定量的以圖象形態(tài)測繪水下地貌特征的儀器。由拖魚、線纜和處理器三部分組成。其工作原理為：由隨船行進的拖魚產(chǎn)生兩束與船行進方向垂直的扇形聲束，聲波碰到海底或礁石、沉船等物體就被反射回來，或者是受到海水密度、溫度的影響而傳播方向和速度發(fā)生改變，反射回來的信號由拖魚接收系統(tǒng)接收、轉(zhuǎn)換放大，然后由處理器以圖像的形式記錄、顯示。

生成圖譜影像的質(zhì)量是決定提取海底地形特征精度的關(guān)鍵，影響聲吶圖譜質(zhì)量的主要因素有：

(1)二次回波：即來自同一目標的多路徑回聲信息。多路徑回聲是不常見的，只有當環(huán)境條件恰好滿足它出現(xiàn)的條件才會產(chǎn)生。

(2)尾流：船的尾流對側(cè)掃聲吶是一種主要的干擾源，航行的船的推進器在靠近水面產(chǎn)生一條氣泡的痕跡，這些氣泡在船只離去后在水體中仍能存在很長的時間。并不是只有船只才能產(chǎn)生尾流，井樁和橋墩也能產(chǎn)生尾流。

(3)噪聲：噪聲主要分為環(huán)境噪聲和自身噪聲。即使儀器本身與水體、船只與水體也存在噪聲；通常測深儀和聲參量剖面儀對聲吶有干擾。

(4)地層剖面儀、測深儀和其他定時的聲源也能對側(cè)掃聲吶產(chǎn)生干擾，這些干擾通?？雌饋砭褪且恍┯幸?guī)律的等距黑線。最明顯的就是聲吶記錄上的干擾條紋，此干擾由地層剖面儀引起。

(5)如果氣泡足夠密集，將完全閉塞聲吶脈沖，會導致底部無圖像。

(6)水體密度與溫度躍層：量程外側(cè)的強烈反射體能夠被聲吶記錄下來，這些量程外側(cè)的返回信號可以被類似雷達的掃瞄裝置捕獲，雖然在實際的聲吶工作中極少遇到。

2 聲學圖譜影像的特征

聲圖由四條線組合構(gòu)成，在聲圖中央縱向直線為拖魚軌跡線，這條軌跡線是量測聲圖兩側(cè)目標距離、位置、高度、拖魚高度的基準線。在拖魚軌跡線左、右兩側(cè)，有縱向連接延伸的曲線，一般靠近拖魚軌跡線的縱向連接曲線稱為水面線。 在水面線外側(cè)的縱向連續(xù)曲線稱為海底線。海底線起伏變化反映海底起伏形態(tài)，海底線與拖魚軌跡線之間的間距變化顯示拖魚高度變化。在兩側(cè)海底線外側(cè)，有橫向連續(xù)排列直線，稱為掃描線，掃描線由像素點組成，像素點隨聲回波信號的強弱變化而產(chǎn)生灰度強弱的變化，而掃描線的像素點灰度強弱可以反映目標和地貌圖像。

聲圖依據(jù)掃描線像素的灰度變化顯示目標輪廓和結(jié)構(gòu)以及地貌起伏形態(tài)。 目標成像灰度有兩種基本變化特征：

(1)隆起形態(tài)的灰度特征。 海底隆起形態(tài)在掃描線上的灰度特征是前黑后白，亦即黑色反映目標實體形態(tài)，白色為陰影。

(2)凹陷形態(tài)的灰度特征。 海底凹洼形態(tài)在掃描線上的灰度特征是前白后黑，亦即白色是凹洼前壁無反射回聲波信號，黑色是凹洼后壁迎聲波面反射回波聲信號加強。海底表面起伏形態(tài)和目標起伏形態(tài)，在聲圖上反映灰度變化，就是以上兩種基本特征的組合排列。

3 工程應用與分析

2011年6月16日，趁平潮停潮期間，使用美國Benthos Teledyne公司的SIS-1624型雙頻聲吶系統(tǒng)對大唐榮成海流能電站站址海底進行了海底地貌掃測。本次地貌探測布設13條測線，測線間隔50m，單側(cè)掃寬為75m，覆蓋率為300%，共計完成測線約8km。測量期間，側(cè)掃聲吶拖魚放于船后進行拖曳測量，工作時保持單條測線勻速直線航行，船速為2-4節(jié)(逆流2節(jié)，順流4節(jié))，拖魚離水面高度約為8m～10m。

3.1 資料處理

(1)側(cè)掃聲吶圖像預處理。中值濾波后的聲學圖譜影像在二值分割中的效果好于其他濾波算法。中值濾波圖像二值分割后具有更少的連通區(qū)域個數(shù)，使目標與背景更好地分離。圖1是經(jīng)過中值濾波前后的側(cè)掃聲吶圖譜影像，由圖1可見，中值濾波明顯降低了噪聲對目標的干擾。

圖1 中值濾波前后的聲學圖譜比較

(2)Otsu法二值化及特征提取。側(cè)掃聲納圖像是灰度圖像，無法使用顏色分割，通常利用灰度差別進行目標與背景的分離。目前一些熱點的分割方法有基于最大熵的灰度閾值選取方法 、形態(tài)分水嶺變換與簡化脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡等。綜合考慮時間和效率因素，筆者利用Otsu提出的灰度圖像二值分割算法對中值濾波后的圖像做二值分割。不同的值代表不同的地貌，由此可以將不同類型地貌分開。在地貌類型分類中，一方面根據(jù)側(cè)掃聲納圖象(黑白圖象)的灰度和形態(tài)，另一方面也參考了水聲學中聲波在海底不同介質(zhì)中的反射、散射原理、海洋動力因素，結(jié)合底質(zhì)取樣力求更好地確定出海底地貌類型的邊界情況。

3.2 掃測成果編繪與分析

測區(qū)海底地貌圖編繪是依據(jù)側(cè)掃聲吶聲學圖譜影像、水深地形測量記錄圖譜及測線航跡圖等繪制而成。側(cè)掃聲吶是一種半定量的以圖象形態(tài)測繪水下地貌特征的儀器。在繪制地貌圖時，對同一個地貌類型范圍的確定是采用從多個方向、多種記錄、多次比較法，力求有準確的坐標位置。采用文中介紹的數(shù)據(jù)處理方法基于Benthos SIS-1624的聲學圖譜影像結(jié)合成山頭海域的海水動力因素，結(jié)合海底底質(zhì)取樣最終地確定出海底地貌類型的邊界情況。見圖2根據(jù)圖譜估計A處為基巖海底(礁石)，B處為細粒均勻沉積，估計為沙質(zhì)海底。

圖2 海底地貌聲學圖譜影像

由于測區(qū)內(nèi)波浪和潮流等海洋動力較強，基巖質(zhì)海岸和海底暗礁等不斷地被強動力海水沖刷，形成侵蝕殘余暗礁。海水沖刷產(chǎn)生的礫石、沙等不斷地被從淺水區(qū)輸往深水區(qū)，到達海水動力較弱、水深較大處沉積下來。因此，測區(qū)內(nèi)海底地貌為典型的海蝕殘余地貌。通過聲吶圖譜識別顯示測區(qū)內(nèi)海底地貌類型以基巖海底為主，并分布有大量礁石，海底基巖因長期經(jīng)受海水沖刷而呈臺階、溝壑狀，部分沖刷產(chǎn)生的細顆粒物質(zhì)被輸往深水區(qū)，部分粗顆粒的卵礫石等堆積于侵蝕體附近；測區(qū)內(nèi)局部海底為細粒沉積區(qū)，估計為礫石、沙質(zhì)沉積。

4 結(jié)語

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在榮成海流能電站示范工程中得到了較好的應用，針對實際工程中遇到的問題，文中做了以下總結(jié)：

(1)測區(qū)海水動力較強時，盡量租用馬力大，船體長的調(diào)查船只，在平潮期間進行測量，以保證人員安全和測量成果質(zhì)量。

(2)為保證海底地形地貌探測結(jié)果的準確性必須采取測深儀、淺地層剖面儀、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)配合底質(zhì)取樣聯(lián)合作業(yè)的方式進行海底地形地貌測繪。

(3)由于沿海國家GPS控制點高程異常殘差較大，部分地區(qū)采用RTK進行坐標聯(lián)測不能滿足海洋工程勘察的精度要求，因此，必須采用顧及海陸高程基準統(tǒng)一的水準聯(lián)測方式進行高程聯(lián)測。

(4)對水深地形測量成果必須進行內(nèi)、外符合精度檢核，包括檢查線測量的深度不符值檢查；比對盤檢核結(jié)果；岸邊潮間帶區(qū)域采用RTK方式進行水深成果檢核。

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